1、PDF外文： http:/ 0 中文 6500 字 出处： The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 49(9-12): 1069-1077 译 文： 在三轴数控铣床上使用 PLC 模块控制回转工作台切锥齿轮螺纹 S. Mohsen Safavi & S. Saeed Mirian & Reza Abedinzadeh & Mehdi Karimian Received: 25 November 2008 / Accepte
2、d: 23 November 2009 / Published online: 5 January 2010 # Springer-Verlag London Limited 2009 概述 时下数控加工越来越多 地 使用 “ 机电一体化 ” 。数控技工，电气，数据处理系统相结合可导致新的生产方法。 近年来，数控 技术 的发展已经使人们有可能进行非线性校正的螺旋锥齿轮的切削 运动 。 在本文中，我们试图使用一个三轴数控铣床 利用 传统的间断 多种切削的 实现方法，通过使用一个万能铣床的一个额外的 PLC 模块接口连接 牵引 工作头 来 制造螺旋锥齿轮。这项研究由（ a）
3、螺旋锥 齿轮的几何造型，（ b）模拟传统和新的非传统方法使用 CAD / CAE 系统，（ c）数控加工和 PLC 编程的过程规划，（ d） 用 三轴数控铣床实验 切削 发现该方法的有效性 组成 。结果表明，发明 的实验 SBGs 切割方法不仅是较先进的数控加工 更廉价 ，同时也与 传统的切削加工相比 能 在较短的时间 内生产齿轮。 因而，它是一个制造 SBGs 经济的方法。 关键词 齿轮制造 .螺旋锥齿轮 .CAD/CAM/CAE 技术 .数控 .PLC.交流电机 .逆变器 .接近传感器 .光电传感器 .旋转编码器
4、; S. M. Safavi : S. S. Mirian : R. Abedinzadeh (*) : M. Karimian (*) 机械工程部 , 伊斯法罕科技大学 , 伊斯法罕 , 伊朗 e-mail: abedinzademe.iut.ac.ir e-mail:m_ 1 引言 齿轮作为 传输并行的交叉和交错交叉轴 的 机械动力或运动 变速 的 方法 是重要 且 精密的 机械 。 虽然 在视野中中隐藏 着 ，齿轮 依然 是在我们的文明 中 最重要的机械元件之一。 他们在各种各样的条件下 以极限的 速度 运行 。 用以 生产齿轮的机器和过程是 现存最
5、精致 的。 无论是 生产或大或小的 批量 ，在细胞中，或车间作业批次，齿轮制造过程的序列要求 四项工艺过程 1： 1. 下料 2. 齿轮切削 3. 热处理 4. 研磨 根据他们的类型和应用所需的强度和 韧性 ， 由 铸造，挤压，锻造，粉末冶金，塑料模具，齿轮滚动，和 机械加 工 制造 齿轮 。 在这些过程中， 机械加 工更加频繁地用于高精密齿轮 2。 在各种类型的齿轮，螺旋锥齿轮（ SBG）是最复杂的类型 ， 用于传输之间的角度交叉轴的旋转运动。 SBGs 有纵向沿齿的长度 方向 弯曲的齿。 这些齿轮比直齿 齿轮 的主要优
6、势在于， 由于 曲线形的 原因 在同一时间 能 保证齿的轮廓 啮合 更多的齿等 ， 啮合 时运动 平稳性能得以保证 3。 在直升机的变速箱，摩托车齿轮，减速机，和其他工业部门 中 至关重要 的 研究齿轮应用的问题 上， 螺旋锥齿轮的设计和制造仍然是一个热门话题。 对现今 制造业而言，齿轮 由 特殊机床 ， 滚齿机和成型机加工 而成 。 近期 ，专用数控齿轮制造机床用于工业实践。 这也许可以解释为什么 关于 齿轮制造的论文 在开放研究领域的 稀少 。 近期 ，基于数控 技术的齿轮制造机床已 被 开发 并且 越来越多地应用于工业实践 中 。 然而， 它们 的运动 学 结构仍然 与 工业数控铣床有着
7、 本质不同， 因为 前者是 为 特殊刀具 而 设计 的 。 以往齿轮 的 研究主要关注齿轮的设计和分析。 已对齿轮的几何特征和设计参数进行了研究 4 8。 Tsai 和 Chin 4提出了一 个基于基本运动装置和沿相切面Int J Adv Manuf Technol (2010) 49:10691077 DOI 10.1007/s00170-009-2466-0 为渐开线几何形状的锥 齿轮的数学曲面模型（直线和SBGs） 。后来 被 Al-daccak 等人拿来和基于 确切的球面渐开线曲线 的其他模型进行比较 5。 Shunmugan 等人提供了一个不同的模
8、型，它的精确性（与 专用机床制造的螺旋锥齿轮相比 ）依照标称偏差所证明。 对于花冠齿轮，只有几个结果适合。 Litvin和 Kim 8提供一个由正齿轮修正 节 圆的渐开线产生的方法。Umeyama9设计了一个 节圆的标准 轮廓 和 一个 修改螺旋齿轮传动误差值测定的顶部 /底部的面齿轮 轮廓 。 Tamura等人 10, 11 研究了使用一个平面齿的 锥齿轮 点接触模型。 这些研究 与 特殊的 专门设计制造齿轮齿廓 的 齿 轮机，如滚齿机和成型机 有关 。 Suh等人 12研究了一个曲面加工螺旋锥齿轮的制造方法的可能性，并 用 使用一 个四轴数控铣床与 回转工作台 展示工具路径生成
9、 从而证明其 可能性 。 还介绍了一个基于模型的螺旋锥齿轮的检查方法 13。 在本文中，我们试图提出一个 在三轴数控铣床上使用PLC模块控制回转工作台来制造 SBGs新的过程。在生产速度方面，很明显，这种 方法将低于专用机床。 除产率外，这种方法在以下几方面 具有 优势： （ 1）传统的方法需要大量投资获得各类大小和几何方面非常有限的专用机械和专用齿轮类型 的 齿轮类刀具 ； （ 2）通过这种方法，可以 利用 工业三轴数控铣床 生产各种类型的齿轮 ； （ 3）这种方法 比 专用机床 更 具有 经济 性 。 开发一个自动的计算机模型 来 完全模拟过程并获得加工参数 是和
10、以往的 成果区分 我们的工作 的 要点之一。所有以前的研究一直 致力于 计算复杂的数学公式和设计几何模型。 鉴于上述情况，实验测试 应 给予特别 重视 ，而不是呈现 SBGs的几何或数学模型。这是第一次机电工具和一个三轴 数控铣床同时使用 用来 制造一个特殊的齿轮，甚至是机械部件。 2 螺旋锥齿轮的几何规范 大多数时候，一个齿轮的几何参数 由 工程图纸提供。一些参数（主要参数）需要 由 几何定义。 图 1显示 模数 ，螺旋角，齿轮的齿数。 表 1总结了这些参数，包括在我们测试 中 已生产齿轮的参数之间的关系。要计算这些参数，我们使用叫 GearTrax 的 “ 驱动
11、器组件开发软件 ” 。 螺旋锥齿轮的设计需要高精度的数学计算，生成这种齿轮传动不仅 要求 高品质的设备和齿轮传动装置的制造工具 ， 也 需要特殊 机床设置的发展。 这种 标准 不 是 规范的 ，但必须 在 每个 齿轮传动设计 要 求的质量 有 保证（取决于齿轮传动的几何参数和生成工具）的情况下决定的。 图 1 模块，螺旋角，齿轮的齿数 表 1 齿轮数据 3 制造 SBG 像在引言中 所 讨论的，通过机械加工，各
12、种类型和尺寸的齿轮都能制造，机械加工因为其高精度也是未被超越的。 铣 削 是制造任何类型的齿轮 中 最常见的加工过程 14。 刀具有相同的形式，如邻 齿 之间的 空隙 。标准刀具通常受聘于 标准 齿轮的切割。在美国，这些刀具 由各类 径节 分为八类，并根据 齿数表示标准表 切齿轮。 格利森公司使用的 面对滚齿过程 是由基于 可以分 别考虑交配齿轮和小齿轮 的 锥齿轮的 一般 概念 所 生成 ，Int J Adv Manuf Technol (2010) 49:10691077 DOI 10.1007/s00170-009-2466-0 并由 互
13、补 花 冠齿轮所产生 15。 产生的冠齿轮的齿面 由如 图 2 所示工具刀片的切削刃 的轨迹做 成形 运动加工而成。 由公式 . 1 所示， 面对滚齿过程中的比例速度取决于工具 的齿数 和 成型 齿轮： wt 和 wc 表示该工具的角速度和发电齿轮 ； Nt 和 Nc表示刀片组的数量和发电齿轮的齿数 。 图 2 生成扩展 外摆线 成形齿轮滚动节圆的半径和工具 由式 2 和 3 决定： S 为 机径向设置 。 成形冠齿轮，可以 被看 作一个锥齿轮 90
14、俯仰角的特殊情况。 因此，一个通用术语 “ 成形齿 轮 ” 由此而来 。 互补成形冠齿轮的概念 被理解为 当 配套成形 小 齿轮 的成形齿面 和齿轮 啮合时 。 在实践中， 为了引入交配齿面的错配 ，成形齿轮的小齿轮和齿轮可能不互补相同。 成形齿轮的旋转是 由 一个双曲线齿轮成型器的旋转支架 所产生的（图 3） 。 为了 利用 三轴数控铣床制造 SBGs，我们首先 发展 由几何造型及图形仿真模块组成的的 CAD / CAM 系统测试过程。 商业软件 Solidworks 被用作创建 CAD 模型和 MSC。 Visual NASTRAN 4D（ 通过三维模型 进行 运
15、动学分析 机构的 CAE 系统 ）用作 模拟齿轮制造过程及其分析结果 （图 4）。 至于机床结构而言，很明显，工件的旋转运动是为数控加工 SBGs 的需要。 基于 可加工性分析 16， 数控加工 SBGs 一个工步至少需要四轴控制。因此， 需要 一个 接有回转工作台 的三轴铣床。 成形切割或 成形 铣在我们的测试使用。 刀具 是呈放射状从 轮毛坯 中心 向 所需齿 根 齿宽 ，然后 穿过 整个齿面，回转工作台则绕工件中心回转 ，以获得所需的的齿宽 。 图 3 锥齿轮切削的概念 当一个齿的 间隙 已经完成，该 刀具 被撤回，齿轮毛坯使用分度头 连接 ，下齿 间隙 被切断。 基本上，这 是一种简单灵巧地 用机械加工制造 SBGs 的 方法。 需要的设备和刀具相对简单 ，并使用标准的三轴数控铣床。 然而，刀具在每一步的进给值应当很小并且相当谨慎以防任何刮伤。 我们用 GearTrax 创建螺旋锥齿轮 来 模拟操作顺序，然后估计一些加工参数，如立铣刀的初始高度，位置接近传感器，电机转矩，电机转速和旋转频率。 例如，在 SolidWorks 中， 我们用来定位的主轴沿 Z 轴垂直的立铣刀和 SBG 顶点之间的距离为 14.7 毫米。 图 4 切削齿轮的仿真
